Beton; su, çimento, kimyasal ve mineral katkılar ve agregadan oluşan inorganik heterojen bir karışımdır. İnşaat sektöründe en yaygın kullanılan malzemedir ve geçmişi Roma İmparatorluğu’na kadar uzanır.
Pittsburgh Üniversitesi’nden Amir Alavi liderliğindeki araştırma ekibi “Akıllı Sivil Altyapı için Çok İşlevli Nanojeneratör-Entegre Metamalzeme Beton Sistemleri” başlıklı makalelerinde, nanojeneratör entegreli enerji üreten ve algılama işlevine sahip hafif ve mekanik olarak ayarlanabilen çok fonksiyonlu metamalzeme beton sistemleri için yeni bir konsept sunuyor. Bu araştırma özellikle akıllı sivil altyapı sistemlerinin geliştirilmesi için metamateryal betona yoğunlaşmıştır.
Modern toplum, eski Romalıların orijinal buluşundan beri yüzyıllardır inşaatta betonu kullanıyor diyen Alavi, özellikle altyapı çalışmalarında ağır betonun sıkça tercih edilmesinin önüne geçmek adına daha ekonomik ve sürdürülebilirliğe uygun gelişmiş işlevselliğe sahip yeni nesil beton malzemelerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyulduğunu vurguluyor. Metamalzeme paradigmasının hayata geçirilmesiyle bütün bu hedeflere ulaşılabileceğine inanıyor.
Bu çalışma sayesinde betonun yapımında metamalzemelerin kullanımı tanıtılıyor ve malzemenin amacına uygun şekilde özel olarak tasarlanmasının mümkün olduğu aktarılıyor. Malzeme oluşturulurken esneklik, şekil alma ve kırılganlık gibi parametrelerde ince ayar yapılmasıyla betonun mukavemetinden ve kullanım ömründen ödün vermeden inşaatçıların daha az malzeme kullanmasına olanak tanıyor.
Alavi’ye göre bu proje enerji toplama ve süper sıkıştırılabilirlik özelliğine sahip olan ilk metamalzeme betonunu ortaya koyuyor. Ayrıca Alavi “Bu tarz mekanik olarak ayarlanabilir hafif beton sistemlerin, havaalanlarında yavaşça kontrolden çıkan uçaklara ya da sismik temel izolasyon sistemlerine yardımcı olması adına havaalanlarında şok emici mühendislik malzemeleri gibi çeşitli uygulamalarda beton kullanımına bir zemin oluşturabileceğini vurguluyor.
Tüm bunların yanı sıra bahsedilen malzeme elektrik de üretebiliyor. Elektrik şebekelerine gönderecek kadar enerji üretemese de yol kenarlarındaki sensörlere fazlasıyla güç yetirebilecek miktarda sinyal üretiyor. Ayrıca mekanik uyarılmalar sonucunda metamalzeme betonu tarafından üretilen elektrik, beton yapı içerisindeki yapı hasarlarını takip etmek ya da binaların üzerindeki etkiyi azaltırken deprem davranışlarını incelemek için de kullanılabilir.
İleride bu akıllı yapılar, yolların içerisine yerleştirilen çiplere güç vererek otonom araçların GPS sinyallari zayıfladığı veya LIDAR sistemleri çalışmadığı durumlarda yollarda gezinmesine yardımcı olabilir.
Bu akıllı sistemlerde kullanılacak malzeme, iletken bir çimento matrisine gömülü halde güçlendirilmiş oksetik (auxetic) polimer kafeslerden oluşmaktadır. Bir malzemenin oksetik özellikte olup olmadığı poisson oranı yardımıyla belirlenir. Poisson oranı, bir malzemedeki uygulanan kuvvet yönündeki kısalma miktarı ile diğer yöndeki uzama miktarı arasındaki ilişkidir. Kısaca, enine kısalmanın boyuna uzamaya oranıdır ve pozitif-negatif değerlere sahip olabilir. Negatif poisson oranına sahip malzemeler oksetik (genişlemeye meyilli) malzemelerdir ve gerildikçe genişler, basıldıkça daralırlar. Kompozit yapıdaki bu metamalzeme, mekanik olarak tetiklenince katmanlar arasında temas elektrifikasyonunu indüklemektedir. Sistemde elektrot görevi gören çimento ise grafit tozu yardımıyla elektriksel olarak iyileştirilmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda döngüsel yükleme altında malzemenin 330 μW enerji üretebildiği ve %15 oranında sıkıştırılabildiği gözlemlenmiştir.
Bu alandaki bir sonraki teknolojik devrim, akılcı bir mimari tasarım yoluyla farklı yeni nesil beton malzemeler yaratmaktır. Çok işlevli beton metamalzemeler, ölçeklenebilir, uygun maliyetli ve yeşil enerji üretme yoluyla faaliyetlerini kendi kendine sürdürebilen akıllı bir sivil altyapı sisteminin temel bileşenleri olabilir.
İsmail Altın
Kaynaklar
- Barri, K., Zhang, Q., Kline, J., Lu, W., Luo, J., Sun, Z., Taylor, B. E., Sachs, S. G., Khazanovich, L., Wang, Z. L., & Alavi, A. H. (2023). Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure. Advanced Materials, 2211027, 1–11. https://doi.org/10.1002/adma.202211027
- https://techxplore.com/news/2023-03-self-sensing-metamaterial-concrete-smart-infrastructure.html